프로톤 전도성 세라믹 수전해전지(Protonic Ceramic Electrolysis Cell, PCEC)는 높은 이온전도도와 낮은 활성화에너지를 기반으로 300-600 °C 의 중저온에서 수소를 생산할 수 있는 전기화학 시스템입니다. 700 °C 이상의 고온 작동이 필수적인 산소이온 전도성 수전해전지에 비하여 높은 열적 안정성과 열관리 용이성을 가지며, 변환효율이 낮고 귀금속 사용이 필수적인 상온 수전해전지에 비하여 높은 가격경쟁력을 가져, 기존 수전해전지의 한계를 극복하고 높은 효율로 지속적으로 수소를 생산할 수 있는 차세대 핵심 기술입니다.

하지만, 상대적으로 낮은 패러데이 효율(70-90%)은 해결해야 하는 가장 큰 난제입니다. 이는 근본적으로 전해질 및 전극 소재가 가지는 삼중전도성(프로톤, 산소이온, 홀) 특성 때문이며, 특히 홀 전도에 의한 누설전류는 효율 하락의 가장 큰 원인입니다. 이를 해결하기 위해서 필수적으로 요구되는 프로톤과 홀의 생성 및 전도도를 선택적으로 제어할 수 있는 구체적인 반응 메커니즘 규명과 소재/셀 설계, 운전 조건 제어를 통한 대응방안은 개발되지 않은 상태입니다.

본 연구에서는 결함화학의 기본원리를 바탕으로 PCEC의 삼중전도 특성을 정밀하게 제어하여 고효율 PCEC를 개발하고자 합니다. 삼중전도체의 혼합전도 거동과 내부 결함 제어 메커니즘을 규명하여, 전극과 전해질 소재 및 구조를 설계하고, 이를 PCEC 단전지 플랫폼에 적용하여 수소 생산 성능과 효율을 검증하고자 합니다. 탄소중립시대 에너지의 수송·저장·이용을 위한 핵심 에너지 캐리어로써 사용될 그린수소를 높은 효율로 생산할 수 있는 다양한 응용 기술로 연결될 수 있기를 기대합니다.